无机材料科学基础第一章

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例1
Fe-Pt纳米粒子是一种新的磁记录材料，其记录 密度可达Tb/平方英寸，比现有的磁记录材料高10～ 100倍。如果纳米颗粒的直径为3nm，计算每个纳米 粒子中的铁原子的数量。 已知：ρFe=7.8g/cm3 MFe=56 g/mol
解：假设纳米粒子是球状的，则其半径为1.5纳米
V=(4/3)π(1.5×10-7cm)3=1.4137 ×10-20 cm3
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对于定态的原子来说，电子也不是位于确定半 径的平面轨道上，而是有可能位于核外空间的任何 地方，只是在不同的位置出现电子的几率不同。这 样，经典的轨道概念就必须摒弃。人们往往用连续 分布的“电子云”代替轨道来表示单个电子出现在 各处的几率。
电子云密度最大的地方就是电子出现几率最大 的地方。
分量的大小，即原子轨道在空间的不同取向
m0,1,2,3,...,l 共(2l1)个取值
每一个亚层中，m有几个取值，其亚层就有几个不同伸 展方向的同类原子轨道
磁量子数与电子能量无关，同一亚层的原子轨道，能
量是相等的，叫等价轨道(或简并轨道），简并轨道的数 目，称为简并度。
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自旋量子数 s － 表征自旋运动的取向
问题
材料科学的四要素是什么？四要素之间的 存在什么样的关系？
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思考
(1) 同样是由碳元素组成的，为什么金刚石是硬度 最高的物质，而石墨却很软？
(2) 为什么原子能结合成固体？ (3) 材料中存在哪几种键合方式？ (4) 决定键合方式的主要因素有哪些？ (5) 材料的哪些性能和其键合方式有密切的关系？
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1.1 物质结构理论发展简介
1897年，汤姆逊发现电子,提出 “葡萄干布丁” 模型
1910年，卢瑟福散射试验，提出“行星系统”模 型
1913年，玻尔模型
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1913年，玻尔在普朗克量子论、爱因斯坦光子说和卢 瑟福的原子模型的基础上提出了原子结构理论的三点 假设：
1) 电子不是在任意轨道上绕核运动，而是在一些符合一定量 子化条件的轨道上运动，在这些轨道中电子的角动量等于 h/2π的整数倍。
波函数：描述核外电子运动状态的 数学函数式。
2 x 2 2 y 2 2 z 28h2 2m (EV) 0
Ψ：波函数 E：体系的总能量
x,y,z ：空间坐标 V：势能
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波函数和原子轨道
1) 波函数Ψ是描述核外电子运动状态的数学函数式。 2) 波函数通常也叫原子轨道。原子在不同条件（n，
2) 电子处在上述轨道时，原子既不吸收能量，也不辐射能量。 原子中有很多这种稳定的状态（简称定态），其中能量最 低的定态称为基态，能量较高的定态称为激发态。
3) 当电子由一种定态跃迁至另一种定态时，就要吸收或放出
能量，其值恰好等于两种定态的能量差，它与光的频率关
系为
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E终态E始态 h
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玻尔原子理论的成功之处
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e=1.6022×10-19C NA=6.023×1023atom/mol M：原子量
原子核（nucleus)
Байду номын сангаас
质子：正电荷m＝1.6726×10 中子：电中性m＝1.6748×10
-27 -27
kg kg
电子（electron）：带负电，按能量高低排列
m ＝9.109510-31 kg，约为质子的1/1836
1) 提出了量子的概念 2) 成功地解释了氢原子光谱的实验结果 3) 用于计算氢原子的电离能
玻尔原子理论的局限性
1) 无法解释氢原子光谱的精细结构 2) 不能解释多电子原、分子或固体的光谱 3) 不能解释电子衍射现象
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薛定谔方程----微粒的波动方程
1926年，薛定谔(Schrodinger) 微观粒子的波动方程：
m=7.8g/cm3 × 1.4137 ×10-20 cm3=1.102 × 10-19 g
1.1012 -01g96.02 13 2 03atom/1m1o8l6ato 56g/mol
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1.2 核外电子运动状态
1. 四个量子数及其表征的意义 主量子数 n － 表征原子轨道离核的远近，即
si
1,共2个取值 2
Electron spin visualized
电子自旋有顺时针和 逆时针的两个方向， 通常用↑和↓表示
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➢ 原子中每个电子的运动状态可用四个量子数来 描述，四个量 子数确定之后，电子在核外的运动 状态就确定了。
例2：已知核外某电子的四个量子数为： n=2; l=1; m=-1; ms=+1/2 说明其表示的意义。
指在第二电子层、p亚层、py轨道上、自 旋方向以(+1/2)为特征的电子。
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1.3 核外电子排布规律
（1）核外电子的排布规则
能量最低原理
多电子原子在基态时，核外电子总是尽可能地分
布到能量最低的轨道。
泡利（Pauli）不相容原理
在同一个原子中，没有四个量子数（运动状态）
l，m）下的波函数叫做不同的原子轨道，通常用 s，p，d，f等符号依次表示l＝0，1，2，3的轨道 3) 波函数Ψ描述了核外电子可能出现的一个空间区 域（原子轨道），不是经典力学中描述的某种确 定的几何轨迹。 4) Ψ没有明确的物理意义，但 ||2 表示空间某处单 位体积内电子出现的几率（几率密度）。
核外电子的层数
n1,2,3,..n.,
K,L,M,N,O,P
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角量子数 li －又称副量子数。它决定原子轨道或 电子云的形状，并在多电子原子中和n一起决定 电子的能量。
l0,1,2,3,..(n .,1)共 , n个取值
li
0
1
2
3
光谱学 符号
s
p
d
f
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磁量子数 m － 表征原子轨道在外磁场方向上
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第1章 无机材料的原子结构 与化学键
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主要内容
1 原子结构 2 元素周期表 3 原子间的键合 4 材料的结合键与性能
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1 原子结构 （Atomic Structure）
物质的组成（Substance Construction）
物质由无数微粒（Particles）聚集而成 分子（Molecule）：单独存在 保存物质化学特性 原子（Atom）： 化学变化中最小微粒